王聰，翟曉強(qiáng)，李卉，王曉霖

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-中船重工集團(tuán)第704研究所，上海 200031）

相變蓄冷換熱器性能的實(shí)驗(yàn)研究

王聰*1，翟曉強(qiáng)1，李卉2，王曉霖1

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-中船重工集團(tuán)第704研究所，上海 200031）

為了提高相變蓄冷換熱器的換熱效率及其在太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的適應(yīng)性，本文基于太陽(yáng)能空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研制了一種新型管肋式相變蓄冷換熱器。并在典型工況下對(duì)單個(gè)換熱單元進(jìn)行了蓄冷、釋冷循環(huán)試驗(yàn)。研究表明，單個(gè)換熱單元能夠在約80分鐘完成相變過(guò)程。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，該新型管肋式相變蓄冷換熱器的蓄冷功率可達(dá)4 kW，可以滿足太陽(yáng)能空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)蓄冷裝置的設(shè)計(jì)要求。

相變蓄冷；管肋式換熱器；實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

在我國(guó)能源短缺、電力緊張的情況下，利用太陽(yáng)能或低品位熱源的吸附、吸收式太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)是緩解能源問(wèn)題的有效途徑。然而太陽(yáng)能空調(diào)的間歇性及易受天氣影響等特點(diǎn)是制約其普及的因素之一。將太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)與相變蓄冷技術(shù)結(jié)合，可以有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和太陽(yáng)能利用率，并提高太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性[1-2]。

為了提高相變蓄冷的傳熱特性，目前主要的研究方向?yàn)樘岣呦嘧冃罾洳牧系膫鳠嵝阅芤约皟?yōu)化改進(jìn)相變蓄冷器結(jié)構(gòu)這兩方面。在相變蓄冷器結(jié)構(gòu)研究方面，江邑等[3]對(duì)板式相變儲(chǔ)換熱器的儲(chǔ)換熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)理論模型進(jìn)行了校核；楊靈燕等[4]針對(duì)三套管相變儲(chǔ)能換熱器儲(chǔ)釋能性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；葉宏等[5]針對(duì)管殼式相變換熱器建立了貯熱換熱模型，用數(shù)值分析的方法研究了管殼式相變換熱器的換熱效果；盛艷軍等[6]對(duì)異性孔隔板換熱器殼側(cè)傳熱與阻力性能的進(jìn)行了試驗(yàn)研究。TAN H等[7]針對(duì)LNG運(yùn)輸車設(shè)計(jì)了一種以水為相變材料的肋片管式相變蓄冷換熱器，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究表明直肋可以有效增強(qiáng)換熱。KOLLER T等[8]針對(duì)太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套冰蓄冷裝置，并對(duì)使用冰作為相變材料的蓄冷、釋冷過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及理論研究。TAY N H S等[9]針對(duì)管式相變蓄冷換熱器進(jìn)行了理論研究，提出使用ε-NTU方法可以較為有效設(shè)計(jì)相變蓄冷換熱器。盡管前人針對(duì)常見(jiàn)的相變換熱器進(jìn)行了很多理論和實(shí)驗(yàn)研究，然而并未對(duì)管肋式相變蓄冷換熱器進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)研究。管肋式換熱器由于其換熱面積大、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)[7]，與相變材料結(jié)合是一個(gè)很好的提高相變蓄冷傳熱性能的研究方向。

本文基于太陽(yáng)能空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研制了一種新型的帶有直肋和環(huán)肋的管肋式相變蓄冷換熱器。并在實(shí)際運(yùn)行工況下，通過(guò)單個(gè)換熱單元的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析了蓄冷器的設(shè)計(jì)性能。為其在太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 管肋式相變蓄冷換熱器結(jié)構(gòu)

管肋式相變蓄冷換熱器整體結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，換熱器由多個(gè)并聯(lián)的管肋式換熱單元及外部的保溫材料兩部分組成。該管肋式相變蓄冷換熱器依托于上海交通大學(xué)太陽(yáng)能空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)制冷機(jī)為吸附式冷水機(jī)組，冷水出口溫度為12℃左右，在夏季典型工況下，吸附式制冷機(jī)的制冷量平均為3.9 kW。為了符合該太陽(yáng)能空調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)運(yùn)行要求，管肋式相變蓄冷換熱器設(shè)計(jì)換熱功率為4 kW，由36個(gè)換熱單元組成。

管肋式換熱器單個(gè)換熱單元如圖1(b)所示，換熱單元主體部分由紫銅焊接而成。中心管內(nèi)為載熱流體，如太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)中的冷凍水等；中心管與外殼間充滿相變蓄能材料；換熱器外部為聚氨酯保溫層（厚50 mm），以減少系統(tǒng)與外界環(huán)境之間的熱交換，消除外壁面漏熱對(duì)換熱器性能帶來(lái)的不利影響。換熱單元外徑為110 mm，中心管直徑為20 mm，換熱單元高為500 mm。

實(shí)驗(yàn)采用的相變蓄冷材料以油酸、癸酸-月桂酸共熔相變材料并添加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.002%的TiO2制成，相變溫度約為15℃，其性能物性如表1所示。

實(shí)驗(yàn)中，換熱器通過(guò)載熱流體與相變材料之間的熱交換實(shí)現(xiàn)蓄冷和釋冷這兩個(gè)過(guò)程。載熱流體流過(guò)并聯(lián)的換熱單元并與相變材料發(fā)生熱交換。為了增強(qiáng)載熱流體與相變材料之間的熱交換，該管肋式換熱器包含了縱、橫兩個(gè)方向的肋片，如圖1(b)所示，四個(gè)橫向環(huán)形肋片將換熱器中的相變材料自下而上分為五段；四個(gè)縱向肋片每隔90°將換熱器分為四個(gè)扇形區(qū)域。

同太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，該管肋式相變蓄冷換熱器一方面可以通過(guò)與系統(tǒng)并聯(lián)，在白天用來(lái)削峰填谷，提高空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另一方面也可以將白天太陽(yáng)能空調(diào)產(chǎn)生的多余冷量?jī)?chǔ)存起來(lái)。

圖1 管肋式相變蓄冷換熱器結(jié)構(gòu)圖

表1 蓄冷材料性能物性[2]

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了檢驗(yàn)該相變蓄冷換熱器的性能，本文針對(duì)其中一個(gè)換熱單元搭建了小型實(shí)驗(yàn)臺(tái)（見(jiàn)圖2）。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由換熱單元、恒溫水箱、水泵、鉑電阻傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)組成。由恒溫水箱為相變蓄冷換熱器提供恒定溫度的水，通過(guò)與相變蓄能材料熱交換，實(shí)現(xiàn)蓄冷和釋冷過(guò)程。

如圖3所示，蓄冷系統(tǒng)中共有22個(gè)鉑電阻傳感器，分別用于測(cè)量每段的相變材料在沿半徑方向的溫度變化及載熱流體的溫度。相變材料溫度傳感器位于每段中點(diǎn)距中心管沿徑向15 mm、30 mm、45 mm處，其中45 mm處的傳感器緊貼外殼。載熱流體溫度傳感器緊靠銅管外壁，位于每段中心位置。此外另有一組載熱流體進(jìn)出口溫度測(cè)點(diǎn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)及鉑電阻測(cè)點(diǎn)示意圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔0.5 s采集一次數(shù)據(jù)，鉑電阻傳感器的另一端接在KEITHELEY-2700測(cè)量?jī)x的測(cè)量板卡上，測(cè)量?jī)x則通過(guò)并行串口接入電腦，通過(guò)XILINX軟件顯示電阻值的變化并記錄。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果討論

3.1 蓄冷階段

在上海典型夏季工況下，太陽(yáng)能空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的冷凍水平均溫度為12℃，為了研究該管肋式相變蓄冷換熱器的蓄冷性能，實(shí)驗(yàn)中載熱流體的溫度設(shè)定保持在12℃，相變材料的初始溫度為21.5℃。

圖4為相變材料沿水流方向的溫度變化規(guī)律。該圖所示溫度均為距離中心管45 mm處測(cè)點(diǎn)的相變材料溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在蓄冷階段沿水流方向，各段之間相變材料溫度變化規(guī)律基本相同，并未觀測(cè)到明顯的沿水流方向的相界面移動(dòng)。各段之間的相變材料溫度的差別主要是由于中心管內(nèi)載熱流體的溫度梯度造成的。相變材料平均溫度沿水流方向依次遞增，位于換熱單元頂端的第五段最后完成相變。

圖5(a)及圖5(b)為換熱單元第五段內(nèi)相變材料在蓄冷階段的溫度變化情況。

圖4 相變材料沿水流方向溫度變化情況

圖5 蓄冷階段相變材料溫度變化情況

第一階段，蓄冷開(kāi)始0～15分鐘，為液態(tài)區(qū)顯熱溫降階段。在此階段，相變材料與載熱流體發(fā)生顯熱交換，相變材料溫度降低，平均溫度變化率為-0.26 ℃/min。隨著相變材料溫度接近相變溫度區(qū)間，平均溫度變化率開(kāi)始下降。在蓄冷開(kāi)始15分鐘后，相變材料溫度接近相變溫度，且溫度變化率持續(xù)降低并在±0.05 ℃/min附近震蕩，表示材料開(kāi)始凝固發(fā)生相變。

第二階段，蓄冷開(kāi)始15～81分鐘，為潛熱交換階段。在此階段，相變材料發(fā)生相變，相界面以中心管為軸沿徑向外殼方向移動(dòng)。蓄冷開(kāi)始40分鐘后，距離中心管15 mm處的相變材料溫度開(kāi)始下降，遠(yuǎn)離相變溫度區(qū)間，與此同時(shí)相變材料溫度變化率增長(zhǎng)為-0.15 ℃/min。表明相界面已推進(jìn)到距離中心管15 mm處；蓄冷開(kāi)始61分鐘后，距離中心管30 mm處的相變材料溫度快速下降，相變材料溫度變化率為-0.11 ℃/min，且持續(xù)增加；蓄冷開(kāi)始81分鐘以后，距離中心管45 mm處緊貼外殼的相變材料溫度變化率達(dá)到-0.12 ℃/min，此時(shí)相變材料溫度快速下降，低于相變溫度區(qū)間，表明整個(gè)換熱單元的相變材料全部完成相變。

第三階段，蓄冷開(kāi)始81～140分鐘，固態(tài)區(qū)顯熱溫降階段。在此階段，固態(tài)的相變材料與載熱流體發(fā)生顯熱交換，溫度逐漸降低，并逐漸趨向于12℃。

圖6表示蓄冷階段能量變化情況。蓄冷開(kāi)始后，由于存在比較大的換熱溫差，因此，盡管是在顯熱交換階段，但換熱單元的蓄冷功率依然比較大。蓄冷開(kāi)始15分鐘以后，相變材料開(kāi)始發(fā)生相變，與載熱流體發(fā)生潛熱交換，蓄冷量快速積累。此時(shí)蓄冷功率均保持在50 W以上。隨著蓄冷的進(jìn)行，由于換熱器內(nèi)并未抽真空等原因，在相變材料凝固的過(guò)程中會(huì)形成氣泡甚至氣膜。因此隨著蓄冷材料的固態(tài)比例增大，固態(tài)相變材料間的氣泡或氣膜會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱熱阻增加，蓄冷功率也相應(yīng)減少；蓄冷開(kāi)始81分鐘以后，隨著相變材料完成相變，換熱單元蓄冷功率持續(xù)減小，進(jìn)入固態(tài)顯熱溫降階段。在此階段蓄冷功率不斷減少，考慮到測(cè)量系統(tǒng)的誤差及周圍環(huán)境的影響，當(dāng)換熱功率低于1 W時(shí)，可以認(rèn)為蓄冷結(jié)束。實(shí)驗(yàn)表明，在蓄冷階段，一個(gè)換熱單元的平均蓄冷功率為112.7 W，換熱單元的的蓄冷量約為470 kJ。

3.2 釋冷過(guò)程

太陽(yáng)能空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的冷輻射吊頂末端，在典型工況下其供冷回水溫度在19℃～23℃之間，為了研究該管肋式相變蓄冷換熱器的釋冷性能，實(shí)驗(yàn)中載熱流體的溫度被設(shè)定保持在23℃。相變材料的初始溫度為12℃，呈固態(tài)。

圖7所示為釋冷階段相變材料沿水流方向溫度變化情況。在釋冷開(kāi)始約20分鐘，第五段的相變材料變已經(jīng)完成相變，并快速升溫至接近23℃。此后，各段分別在第40分鐘、第60分鐘、第85分鐘和第97分鐘完成相變。可見(jiàn)，釋冷階段的換熱單元在縱向上存在明顯的固液相界面，即溫度高的液體浮在上層，而溫度低的固體和液體沉在下層，在縱向上相界面實(shí)際上是從上到下移動(dòng)的。因此造成各段完成相變的時(shí)間相差很大。不同于蓄冷階段，在釋冷階段，位于底部的第一段的相變材料溫度脫離相變溫度區(qū)間，標(biāo)志著整個(gè)換熱單元相變完成。

圖6 蓄冷階段相變材料能量變化

圖7 相變材料沿載熱流體流動(dòng)方向溫度變化情況

圖8 (a)及圖8(b)為第一段內(nèi)相變材料在釋冷階段的溫度變化情況。

第一階段，釋冷開(kāi)始0～17分鐘。固態(tài)顯熱溫升階段。在此階段，相變材料與載熱流體顯熱交換，相變材料溫度快速上升，平均溫度變化率約為0.23 ℃/min。在釋冷開(kāi)始約25分鐘后，相變材料溫度到達(dá)相變溫度，且溫度變化率維持在±0.05 ℃/min，表明相變材料已進(jìn)入相變溫度區(qū)間。

第二階段，釋冷開(kāi)始17～97分鐘，潛熱交換階段。在此階段，相變材料與載熱流體發(fā)生潛熱交換，相界面由中心管逐步向外殼發(fā)生推移，由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。釋冷開(kāi)始約50分鐘后，距中心管15 mm處的相變材料溫度開(kāi)始快速上升，溫度變化率升高至0.1 ℃/min離開(kāi)相變溫度區(qū)間，首先完成相變；約65分鐘后，距中心管30 mm處的相變材料溫度開(kāi)始快速上升，脫離相變溫度區(qū)間，此時(shí)溫度變化率為0.12 ℃/min，表明中心管半徑30 mm處的相變材料已經(jīng)完成相變，變?yōu)橐簯B(tài)；約97分鐘后，距離中心管45 mm緊貼外殼的相變材料溫度變化率升高到0.15 ℃/min，相變材料溫度迅速上升，表明整個(gè)相變材料全部完成相變。

第三階段，液態(tài)溫升階段。在此階段，相變材料與載熱流體顯熱交換，溫度上升，并在140分鐘左右逐漸接近23℃。表明整個(gè)釋冷過(guò)程完成。

圖8 釋冷階段相變材料溫度變化情況

圖9為釋冷階段能量變化情況。釋冷開(kāi)始后，在經(jīng)過(guò)17分鐘與載熱流體的顯熱交換到達(dá)相變溫度附近時(shí)，相變材料開(kāi)始發(fā)生相變，此時(shí)釋冷功率相對(duì)較高，釋冷量也迅速增加。隨著釋冷的進(jìn)行，相變材料逐步完成相變，換熱功率相應(yīng)減少。在130分鐘以后隨著釋冷功率逐漸降低到1 W以下，可以認(rèn)為釋冷過(guò)程結(jié)束。實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)換熱單元的平均釋冷功率為106.8 W，換熱單元的釋冷量約為450 kJ。

根據(jù)單個(gè)換熱單元的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，單個(gè)換熱單元的蓄冷量及釋冷量分別為470 kJ及450 kJ，平均蓄冷功率為112.7 W，平均釋冷功率為106.8 W。由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以預(yù)測(cè)，由36個(gè)蓄冷單元并聯(lián)組成的整個(gè)相變蓄冷器的平均功率為4057.2 W，滿足太陽(yáng)能空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)蓄冷的設(shè)計(jì)要求。

圖9 釋冷階段相變材料能量變化

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型管肋式相變蓄冷換熱器，通過(guò)對(duì)一個(gè)蓄冷換熱單元的實(shí)驗(yàn)研究得出以下結(jié)論：

1）在典型太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)空調(diào)及冷輻射吊頂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行工況下，單個(gè)蓄冷單元的蓄冷量及釋冷量分別為470 kJ及450 kJ，平均蓄冷功率為112.7 W， 平均釋冷功率為106.8 W。

2）由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以預(yù)測(cè)，由36個(gè)蓄冷單元并聯(lián)組成的整個(gè)相變蓄冷器的平均功率為4057.2 W，符合太陽(yáng)能空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)蓄冷的設(shè)計(jì)要求。

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Experimental Study on a Cold Storage Heat Exchanger

WANG Cong*1, ZHAI Xiao-qiang1, LI Hui2, WANG Xiao-lin1
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2-The 704 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Shanghai 200031, China)

In this paper, in order to improve the heat transfer efficiency as well as the applicability to the solar air conditioning system, a new finned tube phase change cold storage heat exchanger was developed on the basis of the experimental solar air conditioning system. Experiments on the charging and discharging characteristics of one single heat exchanger unit were conducted in typical working conditions. The results show that the phase transition process of the heat exchanger unit completes in about 80 min. In a steady state condition, the charging power of the finned tube phase change heat exchanger is 4 kW, which could meet the design requirement of cold storage equipment for the solar air conditioning system.

Phase change cold storage; Finned tube heat exchanger; Experimental study

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.103

*王聰（1989-），男，碩士研究生。研究方向：相變蓄冷相關(guān)技術(shù)。聯(lián)系地址：上海市東川路 800號(hào)上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所，郵編：200240。聯(lián)系電話：13818676296。E-mail：w_cong@sjtu.edu.cn。

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET-12-0360），上海市浦江人才計(jì)劃